创新强化传热策略与应用提升炼化企业竞争力

doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2018-1963

摘要/Abstract

摘要：

强化传热是炼化企业实现绿色低碳发展和提升综合竞争力的有效途径。本文基于丰富的工程知识沉淀与炼化设计实践，通过系统梳理、总结，将炼化企业的强化传热工程策略划分为设备元件、工艺过程和全厂3个层次。通过梳理管壳式换热器等的工程应用方案，归纳了面向特殊工艺和介质的设备元件强化传热；通过总结芳烃、原油蒸馏、乙烯等装置热能/冷能利用，归纳了面向工艺与工程技术集成的工艺过程强化传热；通过总结全厂大系统回收与优化利用低温热资源、蒸汽系统梯级优化利用、循环水系统串级利用等，归纳了炼化企业全厂强化传热。强化传热工程策略在海南炼化公司、青岛炼化公司的实际应用表明，两者的综合能耗、单因能耗均达到国内先进水平。本文的阐述有望为强化传热工程策略的发展、完善，为丰富炼化工程强化传热内涵发挥积极的指导和示范作用。

关键词: 强化传热, 工程策略, 炼化企业

Abstract:

Heat transfer enhancement is an effective way to achieve low-carbon development and enhance competitiveness of refinery and petrochemical enterprises. Based on the rich engineering knowledge and refining design experience, the engineering heat transfer enhancement strategy is divided into three steps by systematical classification: equipment, process and whole plant. The equipment enhancement strategy for special processes is recommended by combining application of shell-and-tube heat exchangers. The process enhancement strategy is generalized by analysis of the thermal/cold energy utilization in process of aromatics, crude oil distillation, ethylene, etc. The whole plant enhancement strategy includes the use of low-temperature heat resources, stair-step utilization of steam system and cascade utilization of recycled water systems. These strategies were successfully applied to Hainan and Qingdao Refinery and helped to reduce the energy consumption. It is expected from the study in this paper to strengthen the development of the heat transfer engineering strategy and enrich connotation of the heat transfer enhancement in petrochemical process.

Key words: heat transfer enhancement, engineeringization strategy, refinery and petrochemical enterprises

中图分类号:

TE08

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Lili SUN. Innovating heat transfer enhancement application to improve the competitiveness of refinery and petrochemical enterprises[J]. Chemical Industry and Engineering Progress, 2019, 38(02): 711-719.

图/表 14

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换热器	强化方式与设备元件	结构特点及强化传热机理	适用工况
管壳式	壳程强化
	螺纹管	换热管外螺纹结构扩大二次传热面	无相变、沸腾、冷凝
	表面多孔管^①	多孔结构增加气泡核心	沸腾
	表面多孔管^①	多孔结构增加气泡核心	沸腾
	T型翅片管	T型通道增加气泡核心	沸腾
	T型翅片管	T型通道增加气泡核心	沸腾
	锯齿形翅片管	减薄冷凝液膜厚度	冷凝
	锯齿形翅片管	减薄冷凝液膜厚度	冷凝
	纵槽管	减薄冷凝液膜厚度	冷凝
	纵槽管	减薄冷凝液膜厚度	冷凝
	折流杆	纵向流降低压降、消除振动	相变工况
	折流杆	纵向流降低压降、消除振动	相变工况
	螺旋折流板	减少流动死区、减轻振动趋势	无相变、沸腾、冷凝
	螺旋折流板	减少流动死区、减轻振动趋势	无相变、沸腾、冷凝
	管程强化
	表面多孔管^①	多孔结构增加气泡核心	沸腾
	内插件	破坏边界层强化传热	无相变
	双面强化
	横纹管	一次加工双面成形	无相变、沸腾、冷凝
	扭曲管	无折流板结构，管程、壳程流体螺旋状流动	无相变、沸腾、冷凝
	波纹管	波纹节距和深度确定强化传热效果与压降增加幅度	无相变、沸腾、冷凝
	高通量管^①	管内多孔表面强化沸腾传热，管外纵槽强化冷凝	立式安装的重沸器，管内沸腾、管外冷凝工况
	高通量管^①	管内多孔表面强化沸腾传热，管外纵槽强化冷凝	立式安装的重沸器，管内沸腾、管外冷凝工况
	其他
	缠绕管	降低热端温差，多股物流换热	无相变、沸腾、冷凝
板式	螺旋板式	通道宽度灵活调节，纯逆流换热	含颗粒、高黏度流体换热
	波纹板式	紧凑式换热设备，高湍流度	无相变、沸腾、冷凝
	板翅式	紧凑式换热设备，多股物流换热	无相变、沸腾、冷凝

换热器	强化方式与设备元件	结构特点及强化传热机理	适用工况
管壳式	壳程强化
	螺纹管	换热管外螺纹结构扩大二次传热面	无相变、沸腾、冷凝
	表面多孔管^①	多孔结构增加气泡核心	沸腾
	表面多孔管^①	多孔结构增加气泡核心	沸腾
	T型翅片管	T型通道增加气泡核心	沸腾
	T型翅片管	T型通道增加气泡核心	沸腾
	锯齿形翅片管	减薄冷凝液膜厚度	冷凝
	锯齿形翅片管	减薄冷凝液膜厚度	冷凝
	纵槽管	减薄冷凝液膜厚度	冷凝
	纵槽管	减薄冷凝液膜厚度	冷凝
	折流杆	纵向流降低压降、消除振动	相变工况
	折流杆	纵向流降低压降、消除振动	相变工况
	螺旋折流板	减少流动死区、减轻振动趋势	无相变、沸腾、冷凝
	螺旋折流板	减少流动死区、减轻振动趋势	无相变、沸腾、冷凝
	管程强化
	表面多孔管^①	多孔结构增加气泡核心	沸腾
	内插件	破坏边界层强化传热	无相变
	双面强化
	横纹管	一次加工双面成形	无相变、沸腾、冷凝
	扭曲管	无折流板结构，管程、壳程流体螺旋状流动	无相变、沸腾、冷凝
	波纹管	波纹节距和深度确定强化传热效果与压降增加幅度	无相变、沸腾、冷凝
	高通量管^①	管内多孔表面强化沸腾传热，管外纵槽强化冷凝	立式安装的重沸器，管内沸腾、管外冷凝工况
	高通量管^①	管内多孔表面强化沸腾传热，管外纵槽强化冷凝	立式安装的重沸器，管内沸腾、管外冷凝工况
	其他
	缠绕管	降低热端温差，多股物流换热	无相变、沸腾、冷凝
板式	螺旋板式	通道宽度灵活调节，纯逆流换热	含颗粒、高黏度流体换热
	波纹板式	紧凑式换热设备，高湍流度	无相变、沸腾、冷凝
	板翅式	紧凑式换热设备，多股物流换热	无相变、沸腾、冷凝

工程化问题	解决方案
壳程强化传热膜传热系数太低	工艺介质无相变，采用螺纹管、横纹管、螺旋槽管等
	工艺介质冷凝，采用纵槽管、锯齿形翅片管等
	工艺介质沸腾，采用T型翅片管、表面多孔管等
传统结构压降高及振动	采用双弓形、三弓形、螺旋叶片、螺旋形折流板、折流杆等强化传热结构
提高壳程膜传热系数与压降增加、出现振动的矛盾	集成应用折流杆与螺纹管、螺旋折流板和螺纹管等
管程内层流流动导致膜传热系数低	采用内插件强化流体扰动、破坏管壁面的边界层
管内湍流流动状态下进一步强化膜传热系数	采用波纹管、翅片管、粗糙肋管、管内表面多孔管等
管程、壳程膜传热系数接近，需整体强化	采用波纹管、内波纹外螺纹管、扭曲管、管内表面多孔管外纵槽管等双面强化传热元件

工程化问题	解决方案
壳程强化传热膜传热系数太低	工艺介质无相变，采用螺纹管、横纹管、螺旋槽管等
	工艺介质冷凝，采用纵槽管、锯齿形翅片管等
	工艺介质沸腾，采用T型翅片管、表面多孔管等
传统结构压降高及振动	采用双弓形、三弓形、螺旋叶片、螺旋形折流板、折流杆等强化传热结构
提高壳程膜传热系数与压降增加、出现振动的矛盾	集成应用折流杆与螺纹管、螺旋折流板和螺纹管等
管程内层流流动导致膜传热系数低	采用内插件强化流体扰动、破坏管壁面的边界层
管内湍流流动状态下进一步强化膜传热系数	采用波纹管、翅片管、粗糙肋管、管内表面多孔管等
管程、壳程膜传热系数接近，需整体强化	采用波纹管、内波纹外螺纹管、扭曲管、管内表面多孔管外纵槽管等双面强化传热元件

加工量/万吨·年^-1	换热终温/℃	加工量/万吨·年^-1	换热终温/℃
800	290	1000	300
1000	320	1200	320
1200	310